ISSN: 0854-0675 Jurnal Sains dan Matematika Vol. 23 (2): 59-64 (2015) Journal homepage: http://ejournal.undip.ac.id/index.php/sm Synthesis of Carboxyl (CNT-COOH) and Ammine Carbon Nanotubes (CNT-NH2) Pardoyo1,*, Sri Eny Suharini1, Siti Nandiyah1, Agus Subagio2 1 Inorganic Chemistry Laboratory, Chemistry Department, Faculty of Sciences and Mathematics, Diponegoro University. 2 Material Physics Laboratory, Chemistry Department, Faculty of Sciences and Mathematics, Diponegoro University. Jl. Prof. Soedarto, Tembalang, Semarang 50275, Telepon (024) 7474754 *corresponding author’s email: [email protected] ABSTRACT A research synthesizing CNT-COOH to increase the compatibility character of carbon nanotubes and CNTNH2 to increase the hydrophilic character has been done. The CNT-COOH was synthesized using ultrasonic bath method for 6 hours with the volume ratio of concentrated H 2SO4 : HNO3 were 2:1, 3:1 and 4:1. Whereas CNT-NH2 was produced by refluxing CNT and ethylene diamine at temperature of 40°C, 60°C and 80°C. Both products were analyzed with Fourier Transform Infrared (FTIR), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS). The C=O bond on CNT-COOH was showed by wavenumber of 1635.64 cm-1 and the OH bond at 3448.72 cm-1 whilst the N-H bond emerged at 152762 cm-1. SEM and EDS indicated both products had surface morphology of tubes and reducing of Fe content which was the one of impurities of CNT. Key words: carbon nanotubes, CNT-COOH, CNT-NH2 ABSTRAK Telah dilakukan penelitian pembuatan CNT-COOH untuk meningkatkan karakter kompatibilitas carbon nanotubes dan CNT-NH2 agar memiliki sifat hidrofil. Penelitian dilakukan menggunakan metode ultrasonikasi(40 kHz) selama 6 jam dengan perbandingan H2SO4 pekat dan HNO3 pekat 2:1, 3:1 dan 4:1 untuk CNT-COOH. Sedangkan pada CNT-NH2 digunakan metode refluks pada suhu 400C, 600C dan 800C terhadap CNT dan ethylenediamine. Kedua produk dianalisis dengan Fourier Transform Infrared (FTIR), Scanning Electron Microscopy (SEM) dan Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS). Ikatan C=O pada CNT-COOH ditunjukkan oleh serapan pada panjang gelombang 1635,64 cm-1 dan ikatan O-H pada 3448,72 cm-1. Ikatan NH pada CNT-NH2 ditunjukkan pada 1527,62 cm-1. Analisis SEM dan EDS mengindikasikan kedua produk memiliki morfologi permukaan berbentuk tabung dan terjadi penurunan prosentase Fe sebagai salah satu pengotor produk CNT. Kata kunci: carbon nanotubes, CNT-COOH, CNT-NH2 Pendahuluan Carbon nanotube dapat disintesis dari benzene (C6H6) sebagai sumber karbon dan ferrosene((Fe(C5H5)2) [1]. Umumnya produk CNT masih mengandung pengotor Fe dan bersifat hidrofop. Karakter ini akan mengurangi ranah aplikasi CNT khususnya sebagai material kompatibilitas dan material yang bersifat hidrofil. Kompatibilitas merupakan kemampuan suatu bahan untuk menyesuaikan diri dengan lingkungan dimana bahan tersebut diletakkan atau ditanamkan, tidak membahayakan tubuh, dan nontoksik [2]. Untuk menghilangkan pengotor dan menjaga kemurnian CNT hasil sintetis maka dilakukan proses oksidasi. Diharapkan pengotor akan 59 ISSN: 0854-0675 Jurnal Sains dan Matematika Vol. 23 (2): 59-64 (2015) Journal homepage: http://ejournal.undip.ac.id/index.php/sm hilang dan memiliki gugus fungsi karboksil. Syarat suatu bahan dapat dijadikan kompatibitas adalah relatif murni tidak banyak pengotor misalnya ketika ditanam di paru paru. Carbon nanotube hasil sintesis yang bersifat hidrofob juga akan membatasi aplikasinya dan mengakibatkan keunggulan dari performanya menurun karena dalam interaksi kimia material hidrofob akan menyukai material hidrofob sedangkan material bersifat hidrofil akan menyukai material hidrofil. Banyak sekali bahan kimia yang berifat hidrofil karenanya dicoba untuk membuat carbon nanotube yang hidrofob menjadi bersifat hidrofil dengan cara menambahkan bahan kimia lain yaitu ethilenediamine (fungsionalisasi). Proses fungsionalisasi CNT yang biasa dilakukan adalah perlakuan oksidasi menggunakan asam yaitu HNO3. Perlakuan ini dapat menghilangkan pengotor Fe dan karbon amorf pada purifikasi, tidak merusak struktur CNT, membuka tutup CNT untuk memasukkan logam, dan membuat gugus fungsi pada permukaan sebagai gugus anchor untuk menempelnya logam [3]. Perlakuan oksidasi akan membentuk gugus karboksilat yang selanjutnya dapat direaksikan dengan gugus lain yang lebih reaktif [4]. Modifikasi carbon nanotubes dalam pembentukan gugus amin menggunakan etylenediamine diduga dapat diaplikasikan sebagai penghantar obat (drug delivery) untuk terapi gen kanker. Penelitian ini pernah dilakukan oleh Canete dkk. [5] memodifikasi CNT untuk membentuk gugus amin pada permukaan CNT menggunakan ethylenediamine dengan metode pemanasan antara suhu 30 oC sampai 40 oC. Moaseri [6] memodifikasi CNT untuk membuat gugus amin pada permukaan CNT menggunakan ethylenediamine dengan metode pemanasan pada suhu 80 oC. Hasil penelitian menunjukkan terbentuknya gugus amin (NH2) pada permukaan carbon nanotubes (CNTNH2). Berdasarkan keberhasilan beberapa penelitian tersebut, pada penelitian ini akan mencoba membuat carbon nanotubes bergugus fungsi karboksil(CNTCOOH) menggunakan asam sulfat dan asam nitrat dan amin (CNT-NH2) menggunakan ethylenediamine sebagai sumber amin. 60 Metode Penelitian Alat dan Bahan Alat. Alat utama yang digunakan dalam penelitian ini meliputi: rangkaian alat (furnace, tabung gas argon, sprayer, tabung quartz, dan thermocouple) (Fisika Material FSM UNDIP). Seperangkat gelas, pipet tetes, neraca, kertas saring, pengaduk, dan corong (Kimia Anorganik FSM UNDIP). Ultrasonibath, desikator, dan pompa vakum (Laboratorium Teknologi Pangan Unika SoegijapranataSemarang). Spektrofotometer Shimadzhu FTIR-8201 PC (Kimia FMIPA UGM). Scanning Electron Microscopy (SEM)-Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS) (UPT Laboratorium Terpadu UNDIP). Bahan. Bahan yang digunakan adalah benzena, ferrocene, gas argon, H2SO4 pekat, HNO3 pekat, akuabides, SOCl2, ethylenediamine, akuades. Cara Kerja Sintesis Carbon Nanotubes Ferrocene (Fe(C5H5)2) sebanyak 3 gram dicampurkan ke dalam 50 ml benzena diaduk hingga homogen, kemudian campuran tersebut diinjeksikan ke dalam tabung quartz di dalam furnace yang sebelumnya sudah dialiri gas argon. Proses pyrolysis di dalam furnace dilakukan dengan temperatur 9000C selama 30 menit. Pembuatan CNT-COOH Serbuk carbon nanotubes hasil sintesis dicampurkan ke dalam H2SO4 pekat : HNO3 pekat pada variasi perbandingan volume (2:1), (3:1), dan (4:1) v/v kemudian inkubasi lalu diultrasonikasi (40 kHz) dalam penangas es selama 6 jam pada suhu konstan 23 0C. Selanjutnya diencerkan dengan akuabides dan disaring. Hasil penyaringan dikeringkan dalam pompa vakum dan disimpan dalam desikator. Produk yang dihasilkan dikarakterisasi dengan FTIR dan SEM-EDS. Pembuatan CNT-NH2 Sebanyak 0,5 gram CNT hasil oksidasi ditambahkan dengan 10 ml tionil klorida (SOCl2) kemudian di refluks pada suhu 70 oC selama 2 jam. Hasil refluk disaring dan residu yang dihasilkan dikeringkan Jurnal Sains dan Matematika ISSN: 0854-0675 Vol. 23 (2): 59-64 (2015) Journal homepage: http://ejournal.undip.ac.id/index.php/sm dalam desikator vakum selama 24 jam. Selanjutnya ditambah 5 ml ethylenediamine kemudian dipanaskan menggunakan pemanasan stirrer dengan variasi suhu 40 oC, 60oC dan 80oC selama 2 jam dan disaring. Residu dicuci menggunakan akuades kemudian dikeringkan dalam desikator vakum selama 24 jam. Produk dihasilkan dikarakterisasi dengan FTIR dan SEM-EDS Hasil dan Pembahasan Pembuatan CNT-COOH dan CNT-NH2 dilakukan setelah dilakukan sintesis Carbon nanotube. Secara sederhana, proses reaksi di dalam tabung quartz selama sintesis carbon nanotubes dapat dijelaskan oleh adanya mekanisme droplet kecil dari ferrocene dan benzene yang masuk di dalam tabung quartz, dimana molekul-molekul dari ferrocene dan benzena dipecah (cracked) secara termal dan beberapa reaksi akan terjadi seperti reaksi dehidrogenasi (pelepasan atom hidrogen dalam bentuk gas H2), pembentukan cincin benzene dan cyclopentadiene pada ferrocene, kondensasi cincin, pengelompokan (agglomeration) atom-atom Fe di antara yang lainnya. Pada kondisi yang tepat, prekusor dari carbon nanotubes dibentuk pada fase gas atau uap dan berisi partikel-partikel Fe dikelilingi oleh lapisan grafit seperti yang ditunjukkan pada gambar 1. Selanjutnya prekusor ini dapat mencapai permukaan quartz dan penumbuhan material CNT mulai terjadi pada dinding quartz [7]. merupakan zat pengoksidasi kuat yang mudah terionisasi menjadi H+ dan NO3-, mudah menguap, tidak melarutkan atau merusak struktur CNT yang dimurnikan. kemampuan HNO3 untuk memisahkan sisa ferrocene dan benzene pada CNT ditunjukkan dalam persamaan berikut : 4Fe + 10H+ + NO3- → 4Fe2+ + NH4++ 3H2O [8] Hasil dari oksidasi dengan asam akan membentuk defect pada permukaan carbon nanotubes menjadi alkil (CHn), oksidasi lebih lanjut akan membentuk alkohol (–OH), kemudian C=O, dan akhirnya terbentuk gugus karboksilat yang dapat direaksikan dengan gugus lain [4]. Mekanisme reaksi hasil oksidasi ditunjukkan pada gambar 2. Selanjutnya campuran larutan carbon nanotubes dengan variasi perbandingan volume asam dilakukan ultrasonikasi selama 6 jam. Perlakuan ini dipilih karena kerja oksidasi dengan asam sulfat pekat dan asam nitrat pekat salah satunya bergantung pada tingkat waktu oksidasi asam yang lama serta menghasilkan ukuran gelembung partikel yang kecil sehingga cocok digunakan untuk aplikasi kompatibilitas. Gambar 2. Mekanisme reaksi fungsionalisasi carbon nanotubes [9] Gambar 1. Mekanisme penumbuhan CNT metode Spray-Pyrolysis [7]. Pembuatan CNT-COOH CNT hasil sintesis ditambahkan kedua asam dengan perbandingan volume H2SO4 pekat dan HNO3 pekat (2:1); (3:1); dan (4:1) (v/v). Asam nitrat dan asam sulfat yang dapat mengawali pembentukan fungsionalisasi carbon nanotubes dengan gugus fungsi karboksilat. Larutan HNO3 dipilih sebagai larutan pencuci karena sifatnya asam kuat dan Hasil analisis spektra FTIR CNT dengan variasi perbandingan volume asam sulfat pekat dan asam nitrat pekat (2:1); (3:1); dan (4:1) v/v (gambar3), menunjukkan pita karakteristik asam karboksilat yaitu C=O pada 1635,64 cm-1 yang merupakan pita absorbansi spesifik karbonil dari CNT. Pita agak kuat pada daerah antara 1527,62-1635,64 cm-1 mengindikasikan adanya senyawa aromatik [10]. Pada daerah 3448,72 cm-1 terlihat adanya pita tajam yang menunjukkan gugus hidroksil (-OH) [10]. Munculnya serapan pada bilangan gelombang 1635,64 cm-1 yang menunjukkan ikatan C=O dan bilangan gelombang 3448,72 cm-1 yang menunjukkan 61 ISSN: 0854-0675 Jurnal Sains dan Matematika Vol. 23 (2): 59-64 (2015) Journal homepage: http://ejournal.undip.ac.id/index.php/sm ikatan O-H, diduga kuat carbon nanotubes telah mengandung gugus fungsi karboksil(-COOH). Gambar 4. SEM CNT- asam 3:1 v/v Tabel 1. Data EDS CNT dan CNT- asam 3:1v/v Gambar 3. (a) CNT; (b) CNT-asam 2:1 v/v; (c) CNT-asam 3:1 v/v; (d) CNT-asam 4:1 v/v Hasil analisis SEM dan EDS pada gambar 4 dan 5 serta tabel 1 didapatkan bahwa adanya perlakuan penambahan H2SO4 pekat : HNO3 pekat dengan perbandingan volume 3:1 v/v maka semakin tinggi kemampuan asam sulfat pekat dan asam nitrat pekat tersebut dapat mengurangi Fe yang menempel pada carbon nanotubes yang menunjukkan adanya penurunan dari 10,07% menjadi 3,43% serta nampak morfologi permukaan bebrbentuk tabung. Pada analisis ini hanya mengkarakterisasi carbon nanotubes dengan penambahan volume H2SO4 pekat : HNO3 pekat pada volume 3:1 v/v saja. Diasumsikan pada modifikasi carbon nanotubes pada volume 3:1 v/v dengan intensitas gugus karboksil yang rendah dibandingkan modifikasi carbon nanotubes pada volume 4:1 v/v maupun 2:1 v/v dengan intensitas gugus karboksil yang tinggi maka dimungkinkan terjadi peningkatan kemampuan H2SO4 pekat : HNO3 pekat pada volume 4:1 v/v dan 2:1 v/v yang dapat mengurangi Fe yang lebih dibandingkan modifikasi carbon nanotubes pada volume 3:1 v/v. Semakin kecil jumlah Fe yang menempel pada permukaan carbon nanotubes hasil fungsionalisasi maka semakin kecil tingkat toksik pada carbon nanotubes sehingga meningkatkan karakter carbon nanotubesCOOH terhadap aplikasi kompatibilitas [11]. 62 Sample Prosentase Atom C Fe Carbon nanotubes 86,97 10,07 Carbon nanotubes penambahan H2SO4 pekat: HNO3 pekat 3:1 v/v 94,42 3,43 Pembuatan CNT-NH2 Pembuatan carbon nanotubes bergugus fungsi amin dimulai dari CNT hasil oksidasi yang selanjutnya direaksikan dengan tionil klorida (SOCl2) untuk pembentukan klorida asam (-COCl) [12]. Penggunaan tionil klorida karena SOCl2 merupakan pereaksi yang sesuai untuk membuat klorida asam (COCl), selain itu SOCl2 merupakan derivat asam yang paling reaktif. Apabila reaksinya sempurna, diharapkan semua CNT-COOH habis bereaksi dan kelebihan tionil klorida (SOCl2) akan tetap tinggal dalam labu, sedangkan gas sulfur dioksida (SO2) dan hidrogen klorida (HCl) yang terbentuk keluar pada saat refluks berlangsung sehingga dihasilkan carbon nanotubes - asil klorida (CNT-COCl). Tahap selanjutnya untuk pembentukan gugus amin dengan mereaksikan CNT-COCl dengan ethylenediamine (H2N-(CH2)2-NH2) sebagai sumber amin. Metode yang digunakan adalah pemanasan menggunakan stirrer dengan variasi suhu 40oC, 60oC dan 80oC. Mekanisme reaksi pembentukkan carbon nanotubes bergugus fungsional amin ditunjukkan pada gambar 5. ISSN: 0854-0675 Jurnal Sains dan Matematika Vol. 23 (2): 59-64 (2015) Journal homepage: http://ejournal.undip.ac.id/index.php/sm Gambar 5. Mekanisme reaksi pembentukkan CNTNH2 [5] Hasil analisis dengan spektroskopi FTIR pada CNT sebelum dan setelah modifikasi menggunakan ethylenediamine menunjukkan puncak yang berbeda (gambar 6). Carbon nanotubes sebelum modifikasi tidak menunjukkan puncak yang jelas sedangkan setelah modifikasi(penambahan ethylenediamine) terbentuk puncak yang tidak terlalu tajam dan memiliki bilangan gelombang yang berbeda. Hasil modifikasi carbon nanotubes bergugus fungsi amin (CNT- NH2) ditunjukkan dengan adanya Ikatan N-H pada bilangan gelombang sekitar 1580-1650 cm1 . Pita serapan ini terdapat pada CNT-NH2 40oC dan CNT-NH2 60oC yang memiliki panjang bilangan gelombang 1527,62 cm-1. Selain itu pembentukan gugus amin pada CNT juga dibuktikan dengan adanya gugus-gugus lain. diperkuat juga dengan adanya vibrasi gugus C=O pada pergeseran bilangan gelombang sekitar 16651760 cm-1. Gugus C=O menunjukkan bahwa sampel mengandung gugus karboksil karena adanya perlakuan oksidasi. Pita serapan ini terdapat pada semua sampel dan memperkuat dugaan bahwa dengan variasi penambahan asam sulfat dan asam nitrat pekat terbentuk CNT-COOH seperti ditunjukkan pada gambar 3. Kelompok metilen diidentifikasikan sebagai C-H ditunjukkan pada bilangan gelombang sekitar 2850-2990 cm-1. Selain itu ditunjukkan juga dengan adanya ikatan C-N yang mengindikasikan aromatik amin, ditunjukkan pada pergeseran bilangan gelombang sekitar 1000-1350 cm-1. Gambar SEM CNT-NH2 menunjukkan bentuk tabung yang lebih seragam. Pada gambar masih terlihat adanya gumpalan dimungkinkan adanya pengotor. Karenanya perlu dilakukan analisis dengan EDS pada tabel 2. Vibrasi regangan dari gugus O–H ditunjukkan dengan pergeseran bilangan gelombang sekitar 3400 cm-1 yang dimiliki pada semua sampel. Gambar 7. SEM CNT-NH2 Tabel 3. Data EDS CNT, CNT oksidasi dan CNT ethylenediamine (T = 40oC) Perlakuan CNT CNT tanpa modifikasi CNT oksidasi Gambar 6. (a)CNT; (b)CNT-NH2 40 oC; (c)CNTNH2 60 oC; (d)CNT-NH2 80 oC. Adanya gugus O-H karena sampel yang digunakan merupakan carbon nanotubes yang telah dimurnikan sehingga diasumsikan mempunyai gugus –OH yang terbentuk selama fungsionalisasi akibat terjadinya oksidasi oleh asam kuat HNO3 [3]. Asumsi ini CNT ethylenediamine (T=40°C) Unsur C O Si Fe C N O S Fe C N O Ti Fe Cu Massa (%) 86,97 2,93 0,04 10,07 91,46 0,07 2,10 0,23 6,14 88,53 4,30 1,60 0,03 5,17 0,38 Mol (%) 95,21 0,02 2,37 96,78 0,06 0,09 1,40 94,78 3,95 0,01 1,19 0,08 63 ISSN: 0854-0675 Jurnal Sains dan Matematika Vol. 23 (2): 59-64 (2015) Journal homepage: http://ejournal.undip.ac.id/index.php/sm Hasil analisis menunjukkan adanya unsur-unsur yang terkandung di dalam sampel seperti karbon (C), oksigen (O), besi (Fe), Nitrogen (N), Titanium (Ti), Tembaga (Cu), Sulfur (S) dan Silikon (Si) dengan prosentase yang berbeda. CNT setelah modifikasi mengalami penurunan prosentase Fe dari 10,07% menjadi 5,17%. Hal ini menunjukkan bahwa CNT setelah modifikasi bersifat lebih murni. Selain itu terjadi kenaikan unsur N dari prosentase 0,07 % menjadi 4,30 %. Adanya unsur N pada CNT yang dimodifikasi menggunakan ethylenediamine diduga kuat telah terbentuk CNT bergugus fungsi amin(CNT-COOH). Kesimpulan Dari penelitian ini dapat disimpulkan telah dapat dibuat CNT-COOH dan CNT-NH2 ditunjukkan oleh serapan C=O dan N-H pada spektra FTIR yang dikuatkan dengan data EDS. Pada kedua produk terlihat carbon nanotubes bermorfologi permukaan tabung dan terjadi penurunan jumlah pengotor Fe ditunjukkan dengan data SEM dan EDS yang penting untuk aplikasi selanjutnya. Pustaka [1] Agus Subagio, Pardoyo, Ngurah Ayu K, V Gunawan, (2009), Studi Temperatur Penumbuhan Carbon Nanotubes (CNT) yang Ditumbuhkan Dengan Metode Spray Pyrolisis, Jurnal Nanosains & Nanoteknologi, 2 (1) [2] S. K. Smart, A. I. Cassady, G. Q. Lu, D. J. Martin, (2006), The biocompatibility of carbon nanotubes, Carbon, 44 (6), 1034-1047 http://dx.doi.org/10.1016/j.carbon.2005.10.011 [3] Mohammad Naraghi, (2011), Carbon Nanotubes—Growth and Applications, [4] Valentina Bambagioni, Claudio Bianchini, Andrea Marchionni, Jonathan Filippi, Francesco Vizza, Jacques Teddy, Philippe Serp, Mohammad Zhiani, (2009), Pd and Pt–Ru anode electrocatalysts supported on multi-walled carbon nanotubes and their use in passive and active direct alcohol fuel cells with an anionexchange membrane (alcohol = methanol, ethanol, glycerol), Journal of Power Sources, 190 (2), 241-251 http://dx.doi.org/10.1016/ j.jpowsour.2009.01.044 64 [5] Paulina Cañete-Rosales, Alejandro ÁlvarezLueje, Soledad Bollo, (2014), Ethylendiaminefunctionalized multi-walled carbon nanotubes prevent cationic dispersant use in the electrochemical detection of dsDNA, Sensors and Actuators B: Chemical, 191 688-694 http://dx.doi.org/10.1016/j.snb.2013.10.056 [6] Ehsan Moaseri, Majid Karimi, Morteza Maghrebi, Majid Baniadam, (2014), Two-fold enhancement in tensile strength of carbon nanotube–carbon fiber hybrid epoxy composites through combination of electrophoretic deposition and alternating electric field, International Journal of Solids and Structures, 51 (3–4), 774-785 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2013.11.007 [7] A. Aguilar-Elguézabal, Wilber Antúnez, Gabriel Alonso, F. Paraguay Delgado, Francisco Espinosa, M. Miki-Yoshida, (2006), Study of carbon nanotubes synthesis by spray pyrolysis and model of growth, Diamond and Related Materials, 15 (9), 1329-1335 http://dx.doi.org/ 10.1016/j.diamond.2005.10.011 [8] Gyula Svehla, (2008), Vogel's Qualitative Inorganic Analysis, 7/e, Pearson Education India, [9] Xiaofeng Xie, Lian Gao, (2007), Characterization of a manganese dioxide/carbon nanotube composite fabricated using an in situ coating method, Carbon, 45 (12), 2365-2373 http://dx.doi.org/10.1016/j.carbon.2007.07.014 [10] Hardjono Sastrohamidjojo, Spektroskopi, Liberty, Yogyakarta (2001), [11] Chenbo Dong, Alan S. Campell, Reem Eldawud, Gabriela Perhinschi, Yon Rojanasakul, Cerasela Zoica Dinu, (2013), Effects of acid treatment on structure, properties and biocompatibility of carbon nanotubes, Applied Surface Science, 264 261-268 http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.09.180 [12] J McMurry, Organic Chemistry, 1988, Brooks, in, Cole Publishing Company.